Выбор материала для изготовления вкладышей подшипников с толщиной 15-20 мм

Благодаря уникальным свойствам изделий из высокопрочного чугуна рост производства в мире этого  материала впечатляющий и на рубеже 2000 года общее производство его перевалило за 20 миллионов тонн в год. В качестве примера можно привести номенклатуру изделий из высокопрочного чугуна для автомобиля. Это детали трансмиссии (шестерни, зубчатки, картера), ступицы колёс, суппорта и детали рулевого управления. Классический пример использование вместо кованной стали высокопрочный чугун это коленвалы для легковых и грузовых автомобилей.

Широкое применение высокопрочный чугун нашёл и  в строительстве, в том числе  и для систем поверхностного водоотвода. За последние 15-ть лет практически все ведущие фирмы, работающие в этой области, стали изготавливать решётки только из этого материала, что позволило значительно облегчить каналы, увеличить нагрузку и снизить цену.

Разумеется, как  и всякий высокотехнологичный материал, производство труб из ВЧ требует применения специальных технологий, оборудования, качественных материалов, обученного персонала и наличия специальных средств контроля. В России есть ряд литейных заводов, которые могут делать надёжно отливки из высокопрочного чугуна, как и в Европе, США и Японии.

1.5 Легированный чугун

Легированные  чугуны. Для улучшения прочностных, эксплуатационных характеристик или  придания чугуну особых свойств (износостойкости, жаропрочности, жаростойкости, коррозионностойкости, немагнитности и т.д.) в его состав вводят легирующие элементы (Ni, Cr, Cu, Al, Ti, W, V, Mo и др.). Легирующими элементами могут служить также Mn при содержании > 2% и Si при содержании > 4%. Легированные чугуны классифицируют в соответствии с содержанием основных легирующих элементов - хромистые, никелевые, алюминиевые и т.д. По степени легирования различают низколегированные (суммарное количество легирующих элементов < 2,5%), среднелегированные (2,5-10%) и высоколегированные (> 10%). Низколегированные чугуны имеют перлитную или бейнитную структуру матрицы, среднелегированные - обычно мартенситную, высоколегированные - в большинстве случаев аустенитную или ферритную.

Глава II. Серый чугун

2.1 Классификация серого чугуна

Серый чугун  можно рассматривать как структуру, которая состоит из металлической основы с графитными включениями. Свойства чугуна зависят от свойств металлической основы и характера графитных включений.

Металлическая основа может быть: перлитной, когда 0,8 % С находится в виде цементита, а остальной углерод в виде графита; феррито-перлитной, когда количество углерода в виде цементита менее 0,8 % С; ферритной, когда углерод находится практически в виде графита.

В зависимости  от формы графитных включений  серые чугуны классифицируются на:

-   чугун с пластинчатым графитом;

-   чугун с хлопьевидным графитом (ковкий чугун);

-   чугун с шаровидным графитом (высокопрочный чугун);

-   чугун с вермикулярным графитом.

 

Чугун с пластинчатым графитом для отливок

На долю серого чугуна с пластинчатым графитом приходится около 80 % общего производства чугунных отливок.

Пластины графита  с острыми краями уменьшают живое  сечение металлической матрицы  и, главное, являются внутренними концентраторами  напряжений, способствующими зарождению и развитию трещин. Коэффициент концентраций растягивающих напряжений около пластин графита достигает 7,5. Пластины графита сильно снижают прочность и пластичность чугуна при растяжении. Относительное удлинение серых чугунов с пластинчатым графитом, как правило, не превышает 0,5–1,0 % и стандартом не гарантируется. На прочность при сжатии включения графита влияют значительно слабее, поэтому чугун особенно выгодно использовать для изготовления деталей, работающих на сжатие.

Наличие большого количества внутренних концентраторов напряжений в виде пластин графита делает серый чугун малочувствительным к внешним концентраторам напряжений: резким переходам между сечениями отливки, надрезам, выточкам, царапинам и другим неровностям поверхности отливки.

Количественные  параметры структуры чугуна оценивают  в соответствии с ГОСТ 3443–87. Форму, размер, распределение и объемную долю включений графита, соотношение феррита и перлита и дисперсность пластинчатого перлита определяют сравнением с эталонными структурами.

Серый чугун  с пластинчатым графитом маркируют  буквами СЧ, за которыми следует число, обозначающее гарантируемое временное сопротивление при растяжении в МПа · 10–1. ГОСТ 1412–85 включает шесть основных марок серого чугуна — от СЧ 10 до СЧ 35 (табл. 7.1). По требованию потребителя для изготовления отливок допускаются марки чугуна СЧ 18, СЧ 21, СЧ 24. Сдаточной характеристикой является только s в. Приведенный в табл. 7.1 химический состав не является сдаточной характеристикой, но от него зависят структура чугуна и, соответственно, уровень s в. Химический состав устанавливает завод-изготовитель отливок для обеспечения необходимого уровня s в.

Чем выше углеродный эквивалент, тем ниже прочность. У  чугуна СЧ 10 Сэ = 4,25–4,6, а у чугуна СЧ 35 Сэ = 3,3–3,5. Чугун СЧ 10 по структуре  эвтектический или слегка заэвтектический, а чугун СЧ 35 — доэвтектический.

Снижение прочности  с увеличением Сэ обусловлено  большой полнотой графитизации, образованием более крупных включений графита  и уменьшением доли перлита (увеличением  доли феррита). Чугун СЧ 10 имеет ферритную  основу, а чугун СЧ 35 — перлитную.

Чугун с шаровидным графитом для отливок

При введении в  чугун перед разливкой » 0,5 % магния или церия графит кристаллизуется  в шаровидной или близкой к  нему форме (рис. 7.4). Этот процесс называется модифицированием. Шаровидный графит в меньшей степени, чем пластинчатый, ослабляет сечение металлической матрицы и, главное, не является таким сильным концентратором напряжений. Это обстоятельство в сочетании с возможностью формировать необходимую структуру металлической матрицы позволяет придавать чугунам высокую прочность, пластичность и повышенную ударную вязкость.

Чугуны с  шаровидным графитом, используемые в  промышленности с 40-х годов, называют высокопрочными и, в соответствии с  ГОСТ 7293–85, маркируются буквами  ВЧ, за которыми следует число, указывающее значение временного сопротивления при растяжении в МПа · 10–1 (например ВЧ 50).

Сдаточными (гарантируемыми) характеристиками высокопрочных чугунов  являются s в и s 0,2 , а при наличии  требований в нормативно-технической  документации допускается устанавливать значения относительного удлинения d , твердости НВ и ударной вязкости KCV в соответствии с нормами, указанными в ГОСТ 7293–85.

2.2 Структура серого чугуна

Структура серого (литейного) чугуна состоит из металлической  основы с графитом пластинчатой формы, вкрапленным в эту основу. Такая структура образуется непосредственно при кристаллизации чугуна в отливке в соответствии с диаграммой состояния системы Fe—С (стабильной). Причем, чем больше углерода и кремния в сплаве и чем ниже скорость его охлаждения, тем выше вероятность кристаллизации по этой диаграмме с образованием графитной эвтектики. При низком содержании углерода и кремния чугун модифицируют небольшими дозами некоторых элементов (например, алюминий, кальций, церий).

Модифицирование металлов — введение в металлические расплавы модификаторов, то есть веществ, небольшие количества которых (обычно не более десятых долен %) способствуют созданию дополнительных искусственных центров кристаллизации, и следовательно, образованию структурных составляющих в измельченной или округлой форме, что улучшает механические свойства металла.

Для характеристики структуры серого чугуна необходимо определять размеры, форму, распределение  графита, а также структуру металлической  основы. В обычном сером чугуне при медленном охлаждении во время кристаллизации графит очень слабо разветвляется. Он похож на розетку с небольшим числом изогнутых лепестков.

Металлическая основа серых чугунов формируется  из аустени-та при эвтектоидном распаде  и может быть перлитной, ферритной и ферритно-перлитной. Образование перлита происходит легко, в сравнительно короткий промежуток времени. Для получения ферритного белого чугуна используют изотермическую выдержку при 690...650 °С, в результате которой цементит перлита распадается на феррит и пластинчатый графит.

С увеличением  содержания углерода и кремния увеличивается  степень графитизации и склонность к образованию ферритвой структуры  металлической основы. Это ведет  к разупрочнению чугуна без повышения  пластичности. Лучшими прочностными свойствами и износостойкостью обладают перлитные серые чугуны.

2.3 Механические свойства

Механические  свойства серых чугунов зависят  от свойств металлической основы и, главным образом, от количества, формы  и размеров графитных включений. Перлитная основа обеспечивает наибольшие значения показателей прочности и износостойкости. Марки серых чугунов согласно ГОСТ 1412—85 состоят из букв «СЧ» и цифр, соответствующих минимальному пределу прочности при растяжении Ств, МПа / 10. Чугун СЧ10 — ферритный; СЧ15, СЧ18, СЧ20 — ферритно-перлитные чугуны, начиная с СЧ25 — перлитные чугуны.

2.4 Методы повышения прочности  у серого чугуна

Применение  чугуна для ответственных деталей  потребовало улучшения качества чугуна, главным образом его структуры. Для получения легированных и модифицированных чугунов появилась необходимость введения в чугун специальных добавок.

Задача получения наиболее доброкачественной отливки из серого чугуна с улучшенной структурой сводится к получению совершенно однородного  перлитного чугуна во всех частях отливки независимо от толщины стенок. Перлитная структура чугуна может быть получена регулированием химического состава, температуры выпускаемого из печи чугуна и скорости охлаждения его в форме. Для этого суммарное содержание в отливке углерода и кремния обеспечивают равным 4%. Чугун перегревают до температуры примерно 1500° и замедляют охлаждение его в форме.

Легированными называются чугуны, в состав которых введены специальные  примеси: Ni , Cr , Mo , Ti и др. В результате добавки этих примесей наблюдается повышение механических свойств чугуна. Влияние легирующих элементов весьма разнообразно и в настоящее время позволяет применять чугун там, где раньше применялась сталь. Наибольшее значение на практике имеет модифицирование чугуна.

Отливками из модифицированного  серого чугуна называются отливки, полученные из серого чугуна, содержащего около 3% Си 1,2—1,5% Si , в который во время  выпуска из вагранки или другого  плавильного агрегата Добавляется  небольшое количество (0,1—0,6%) специальных графитизирующих присадок — модификаторов. Серый излом этих отливок объясняется тем, что структурно модифицированный чугун представляет собой перлит с включениями пластинок графита.

Термообработка модифицированного  серого чугуна повышает механические свойства, приближая их к свойствам литой стали. В качестве модификаторов может служить 75%-ный ферросилиций, силикокальций (сплав кремния и кальция), алюминий и др.

Введение этих присадок (в  заранее отвешенных порциях или  при помощи специальных дозаторов) может производиться в ковш во время наполнения его чугуном или же на желоб, в струю металла, во время выпуска чугуна из плавильного агрегата.

После ввода модификаторов  и перемешивания чугуна время  выдержки до заливки чугуна в формы  должно быть очень небольшим — 2—4 мин. При более длительных выдержках заметного изменения структуры и механических свойств не произойдет.

В результате модифицирования  образуется более мелкозернистая металлическая  основа чугуна, кроме того, графитовые включения равномернее распределяются в металлической основе в виде тонких и коротких включений. Это обеспечивает значительное повышение механических свойств модифицированных чугунов по сравнению с обычными серыми.

Модифицированный чугун  применяется для чрезвычайно  разнообразных ответственных деталей машиностроения. Из него изготавливаются рамы двигателей, тонкостенные отливки сложных форм (с толщиной стенок до 6 мм ), поршневые кольца и др. (МСЧ 28-48); цилиндры, малые коленчатые валы, шестерни (МСЧ 32-52); втулки, колеса, поршни, звездочки, крупные коленчатые валы, штампы (МСЧ 38-60); головки блока, станины (МСЧ 35-56) и т. д.

Модифицирование применяется  также как способ устранения отбела в тонких сечениях чугунных отливок. В ряде случаев модифицированный чугун применяется в качестве антифрикционного материала — заменителя бронзы.

2.5 Отливки из серого чугуна

Серый чугун  является наиболее распространенным материалом для изготовления различных отливок. В сером чугуне углерод содержится в виде графита, который имеет  пластинчатую форму. Серый углерод маркируется СЧ10-СЧ25... Буква означает принадлежность данного сплава к серым чугунам, цифры показывают временное сопротивление разрыву.

Серый чугун обладает высоким  временным сопротивлением (? вр = 100...450 МПа).

Твердость серого чугуна повышенная (НВ 140...238).

Относительное удлинение  малое.

Вследствие низкой пластичности этот чугун не используют для деталей  машин, работающих при ударных нагрузках. Однако серый чугун хорошо работает при сжимающих нагрузках, не чувствителен к внешним надрезам, гасит вибрации, имеет антифрикционные свойства, легко обрабатывается резанием.

Серый чугун  имеет хорошие литейные свойства; высокую жидкотекучесть, позволяющую  получать отливки с толщиной стенки 3-4 мм; малую усадку (0.9-1.3%) , обеспечивающую изготовление отливок без усадочных раковин, пористости и трещин.